Strom- und Spannungsversorgung

Navigationshilfe

Diese Navigationshilfe zeigt die ersten Schritte zur Verwendung der Präsention. Sie kann mit ⟶ (Pfeiltaste rechts) übersprungen werden.

Navigation

Zwischen den Folien und Abschnitten lässt sich mittels der Pfeiltasten hin- und herspringen, dazu lassen sich auch die Pfeiltasten am Computer nutzen.

Pfeil runter und hoch: Nächste / Vorherige Folie
Pfeil rechts und links: Nächster / Vorheriger Abschnitt
Leertaste oder „n“: Der Reihe nach alle Elemente in Folien aufdecken oder zur nächsten Folie blättern
Shift-Leertaste oder „p“: Der Reihe nach Elemente rückwärts zudecken oder zur vorherigen Folie blättern

Weitere Funktionen

Mit ein paar Tastenkürzeln können weitere Funktionen aufgerufen werden. Die wichtigsten sind:

F1: Help / Hilfe
o: Overview / Übersicht aller Folien
s: Speaker View / Referentenansicht
f: Full Screen / Vollbildmodus
b: Break, Black, Pause / Ausblenden der Präsentation
Alt-Click: In die Folie hin- oder herauszoomen

Übersicht

Die Präsentation ist zweidimensional aufgebaut. Dadurch sind in Spalten die einzelnen Abschnitte eines Kapitels und in den Reihen die Folien zu den Abschnitten.

Tippt man ein „o“ ein, bekommt man eine Übersicht über alle Folien des Foliensatzes. Das hilft, sich zunächst einen Überblick zu verschaffen oder sich zu orientieren, wenn man das Gefüht hat, sich „verlaufen“ zu haben. Die Navigation erfolgt über die Pfeiltasten.

Durch Anklicken einer Folie wird diese präsentiert.

Referentenansicht

Tippt man ein „s“ ein, bekommt man ein neues Fenster, die Referentenansicht.

Indem man „Layout“ auswählt, kann man zwischen verschieden Anordnungen der Elemente auswählen.

Die Referentenansicht bietet folgende Elemente:

Links sieht man die aktuelle Folie
Rechts oben sieht man die nächste Folie
Rechts in der Mitte Hilfsmittel zur Zeiteinteilung
Rechts unten, die „Notizen für den Vortragenden“
Unten die Pfeile zur Navigation

Praxistipps zur Referentenansicht

Wenn man mit einem Projektor arbeitet, stellt man im Betriebssystem die Nutzung von 2 Monitoren ein: Die Referentenansicht wird dann zum Beispiel auf dem Laptop angezeigt, während die Teilnehmer die Präsentation angezeigt bekommen.
Bei einer Online-Präsentation, wie beispielsweise auf TREFF.darc.de, präsentiert man den Browser-Tab und navigiert im „Speaker View“ Fenster.
Die Referentenansicht bezieht sich immer auf ein Kapitel. Am Ende des Kapitels muss sie geschlossen werden, um im neuen Kapitel eine neue Referentenansicht zu öffnen.
Um mit dem Mauszeiger etwas zu markieren oder den Zoom zu verwenden, muss mit der Maus auf den Bildschirm mit der Präsentation gewechselt werden.

Vollbild

Tippt man ein „f“ ein, wird die aktuelle Folie im Vollbild angezeigt. Mit „Esc“ kann man das Vollbild wieder verlassen.

Das ist insbesondere für den Bildschirm mit der Präsentation für das Publikum praktisch.

Ausblenden

Tippt man ein „b“ ein, wird die Präsentation ausgeblendet.

Sie kann wie folgt wieder eingeblendet werden:

Durch Klicken in das Fenster.
Durch nochmaliges Drücken von „b“.
Durch Klicken der Schaltfläche „Resume presentation“.

Zoom

Bei gedrückter Alt-Taste und einem Mausklick in der Präsentation wird in diesen Teil hineingezoomt. Das ist praktisch, um Details von Schaltungen hervorzuheben. Durch einen nochmaligen Mausklick zusammen mit Alt wird wieder herausgezoomt.

Das Zoomen funktioniert nur im ausgewählten Fenster. Die Referentenansicht ist hier nicht mit der Präsenationsansicht gesynct.

Stromquellen

TODO — Abbildung AS-5.1.1: Ersatzschaltbild Stromquelle $R_i$ hochohmig

Liefert konstanten Strom
Unabhängig von der angeschlossenen Last
Theorie: Unendlich großer Innenwiderstand
Praxis: Sehr hoher Innenwiderstand

Anwendung einer Stromquelle

Labornetzgeräte
Ladetechnik von Akkus

Innenwiderstand

Spannungsquelle

Reale Spannungsquelle wird mit $R_L$ belastet → Klemmenspannung $U_k$ sinkt
Grund ist der Innenwiderstand
Ohne Belastung / im Leerlauf: $U_q = U_L$

Innenwiderstand

Nicht messbar mit einem Multimeter
Rechnerisch ermitteln:
$R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I}$

Leerlauf: $I = \qty{0}{\ampere}$
Belastung mit $R_L$:
$I_L = \frac{U_L}{R_L}$

Innenwiderstand Spannungsquelle

$(\Delta U = \qty{0}{\volt})$; $R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I} = \frac{0}{x} = \qty{0}{\ohm}$

Ideale Spannungsquellen sollen einen sehr niedrigen Innenwiderstand $R_i \ll R_L$ aufweisen, im Idealfall: 0 Ω, dann bleibt die Ausgangsspannung bei Belastung unverändert.

Strombegrenzung

In Labornetzteilen eingebaut
Laststrom übersteigt eine maximale Stromstärke
→ Klemmenspannung wird abgesenkt
→ Laststrom bleibt konstant
Funktion der Konstantstromquelle

Innenwiderstand Stromquelle

$R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I}$; $(\Delta I \to \qty{0}{\ampere})$; $R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I} \to \qty{\infty}{\ampere}$

Ideale Stromquellen sollen einen sehr hohen Innenwiderstand $R_i \gg R_L$ aufweisen. Idealfall: „unendlich“ Ohm, dann bleibt der Laststrom bei Änderung des Lastwiderstandes konstant, deshalb spricht man auch von Stromanpassung.

AB201: Welche Eigenschaften sollten Strom- und Spannungsquellen nach Möglichkeit aufweisen?

A: Stromquellen sollten einen möglichst hohen Innenwiderstand und Spannungsquellen einen möglichst niedrigen Innenwiderstand haben.

B: Strom- und Spannungsquellen sollten einen möglichst niedrigen Innenwiderstand haben.

C: Strom- und Spannungsquellen sollten einen möglichst hohen Innenwiderstand haben.

D: Stromquellen sollten einen möglichst niedrigen Innenwiderstand und Spannungsquellen einen möglichst hohen Innenwiderstand haben.

Leistungsanpassung

Optimale Leistungsabgabe von Sender zu Antenne
$$R_i = R_L$$

Tabelle AS-5.2.2: Zusammenfassung zum Innenwiderstand
Zusammenfassung Innenwiderstand	Innenwiderstand
Spannungsanpassung bei einer Konstantspannungsquelle	$R_i$ ist sehr niederohmig; theoretisch $\qty{0}{\ohm}$; $R_i \ll R_L$ identisch mit $R_L \gg R_i$
Stromanpassung bei einer Konstantstromquelle	$R_i$ ist sehr hochohmig; $R_i \gg R_L$ identisch mit $R_L \ll R_i$
Leistungsanpassung bei Verstärkern	$R_L = R_i$

AG401: Welche Lastimpedanz ist für eine Leistungsanpassung erforderlich, wenn die Signalquelle eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm hat?

A: 100 Ohm

B: 200 Ohm

C: 50 Ohm

D: 1/50 Ohm

AB202: In welchem Zusammenhang müssen der Innenwiderstand $R_\textrm{i}$ einer Strom- oder Spannungsquelle und ein direkt daran angeschlossener Lastwiderstand $R_\textrm{L}$ stehen, damit Leistungsanpassung vorliegt?

A: $R_\textrm{L} \ll R_\textrm{i}$

B: $R_\textrm{L} = R_\textrm{i}$

C: $R_\textrm{L} \gg R_\textrm{i}$

D: $R_\textrm{L} = \dfrac{1}{R_\textrm{i}}$

AB203: In welchem Zusammenhang müssen der Innenwiderstand $R_{\textrm{i}}$ einer Spannungsquelle und ein direkt daran angeschlossener Lastwiderstand $R_{\textrm{L}}$ stehen, damit Spannungsanpassung vorliegt?

A: $R_{\textrm{L}} \gg R_{\textrm{i}}$

B: $R_{\textrm{L}} = \frac{1}{R_{\textrm{i}}}$

C: $R_{\textrm{L}} = R_{\textrm{i}}$

D: $R_{\textrm{L}} \ll R_{\textrm{i}}$

AB204: In welchem Zusammenhang müssen der Innenwiderstand $R_\textrm{i}$ einer Stromquelle und ein direkt daran angeschlossener Lastwiderstand $R_\textrm{L}$ stehen, damit Stromanpassung vorliegt?

A: $R_{\textrm{L}} \gg R_{\textrm{i}}$

B: $R_{\textrm{L}} \ll R_{\textrm{i}}$

C: $R_{\textrm{L}} = R_{\textrm{i}}$

D: $R_{\textrm{L}} = \dfrac{1}{R_{\textrm{i}}}$

AB207: Die Leerlaufspannung einer Gleichspannungsquelle beträgt 13,5 V. Wenn die Spannungsquelle einen Strom von 2 A abgibt, sinkt die Klemmenspannung auf 13 V. Wie groß ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle?

A: 1 Ohm

B: 0,25 Ohm

C: 6,75 Ohm

D: 4 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $U_0 = \qty{13,5}{\volt}$
gegeben: $U_{Kl} = \qty{13}{\volt}$
gegeben: $I = \qty{2}{\ampere}$
gesucht: $R_i$

$$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0-U_{Kl}}{I} = \frac{\qty{13,5}{\volt} - \qty{13}{\volt}}{\qty{2}{\ampere}} = \qty{0,25}{\ohm}$$

AB208: Die Leerlaufspannung einer Gleichspannungsquelle beträgt 13,8 V. Wenn die Spannungsquelle einen Strom von 20 A abgibt, bleibt die Klemmenspannung auf 13,6 V. Wie groß ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle?

A: 10 m$\Omega$

B: 0,1 Ohm

C: 0,2 Ohm

D: 20 m$\Omega$

Lösungsweg

gegeben: $U_0 = \qty{13,8}{\volt}$
gegeben: $U_{Kl} = \qty{13,6}{\volt}$
gegeben: $I = \qty{20}{\ampere}$
gesucht: $R_i$

$$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0-U_{Kl}}{I} = \frac{\qty{13,8}{\volt} - \qty{13,6}{\volt}}{\qty{20}{\ampere}} = \qty{10}{\milli\ohm}$$

AB206: Die Leerlaufspannung einer Gleichspannungsquelle beträgt 13,5 V. Wenn die Spannungsquelle einen Strom von 0,9 A abgibt, sinkt die Klemmenspannung auf 12,4 V. Wie groß ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle?

A: 15,0 Ohm

B: 1,22 Ohm

C: 0,82 Ohm

D: 0,99 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $U_0 = \qty{13,5}{\volt}$
gegeben: $U_{Kl} = \qty{12,4}{\volt}$
gegeben: $I = \qty{0,9}{\ampere}$
gesucht: $R_i$

$$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0-U_{Kl}}{I} = \frac{\qty{13,5}{\volt} - \qty{12,4}{\volt}}{\qty{0,9}{\ampere}} = \qty{1,22}{\ohm}$$

AB205: Die Leerlaufspannung einer Spannungsquelle beträgt 5,0 V. Schließt man einen Belastungswiderstand mit 1,2 Ohm an, so geht die Klemmenspannung der Spannungsquelle auf 4,8 V zurück. Wie hoch ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle?

A: 0,25 Ohm

B: 0,05 Ohm

C: 8,2 Ohm

D: 0,17 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $U_0 = \qty{5,0}{\volt}$
gegeben: $U_{Kl} = \qty{4,8}{\volt}$
gegeben: $R_L = \qty{1,2}{\ohm}$
gesucht: $R_i$

$$I = \frac{U_{Kl}}{R_L} = \frac{\qty{4,8}{\volt}}{\qty{1,2}{\ohm}} = \qty{4}{\ampere}$$

$$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0 - U_{Kl}}{I} = \frac{\qty{5,0}{\volt} - \qty{4,8}{\volt}}{\qty{4}{\ampere}} = \qty{0,05}{\ohm}$$

Akkus

Akku-Typen

Die häufigsten Akku-Typen im Amateurfunk:

Bleiakku (Pb)
Nickel-Metallhydrid (NiMH)
Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4)

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Zusammenfassung: Rechteckiger, blau eingeschrumpfter Akkupack mit großem Etikett „ZIPPY 4200“ der „30C Series“, frontal aufgenommen.

Beschreibung: Der Akku ist in blauer Schrumpffolie verpackt, die Ecken sind leicht geknickt; oben links ragen dicke Leitungen heraus (sichtbar ist ein rotes Kabel mit blauer Isolierung am Austritt). Das zentrale Etikett zeigt eine rot-dunkelblaue Gestaltung mit großem silbernem „ZIPPY“-Schriftzug, rechts daneben die Zahl „4200“ in weiß-silberner Kontur und darüber „30C Series“ in hellblau. Darunter steht „HIGH DISCHARGE LiFe BATTERY“. Am unteren Rand listet ein Abschnitt „VOLTAGE“ mit kleinen Kreissymbolen die Optionen „2 CELL 6.6V“, „3 CELL 9.9V“, „4 CELL 13.2V“, „5 CELL 16.5V“, „6 CELL 19.8V“. Daneben sind blaue Kästchen „1P“ und „2P“ sowie Piktogramme mit Text: „LONG LIFE“, „LOW IMPEDANCE“, „CELL MATCHED“, „HIGH CHARGE RATE“. Unten rechts befindet sich ein stilisierter Vogelkopf mit dem Markenlogo „flightmax“. Ganz unten in kleiner Schrift: „Please read safety warning & usage guidelines at www.zippybattery.com before use.“ — Abbildung AS-5.3.1: LiFePO4

Kapazität: $\qty{4200}{\milli\ampere\hour}$
Spannung: 4S1P / $\qty{13,2}{\volt}$

Entladung: 30C Constant / 40C Burst
Balance-Stecker: JST-XH

Verschaltungen

Beispiele:

4S1P: 4 Zellen in Serie, 1 in Parallel
4S2P: 4 Zellen in Serie, 2 in Parallel

Pro Zelle ca. $\qty{3,2}{\volt}$ bis $\qty{3,3}{\volt}$, also
$\qty{3,3}{\volt} \cdot 4 = \qty{13,2}{\volt}$

Kapazität

Beispiel-Akku: $\qty{4200}{\milli\ampere\hour} = \qty{4,2}{\ampere\hour}$

→ 1 Stunde mit $\qty{4,2}{\ampere}$ oder 2 Stunden mit $\qty{2,1}{\ampere}$ belasten

$$t = \frac{Q}{I}$$

$$t = \frac{\qty{4,2}{\ampere\hour}}{\qty{1}{\ampere}} = \qty{1}{\hour}$$

Elektrische Energie

Gespeicherte elektrische Energie im Akku

$$E = Q \cdot U$$

Beispiel-Akku: $E = \qty{4,2}{\ampere\hour} \cdot \qty{13,2}{\volt} = \qty{55,44}{\watt\hour}$

Entladestrom

Angabe auf dem Beispiel-Akku: 30C

Die Entladung kann mit 30 mal der Kapazität $Q$ erfolgen

Entladestrom = $30 \cdot \frac{1}{\unit{\hour}} \cdot \qty{4,2}{\ampere\hour} = \qty{126}{\ampere}$

Der Akku wäre in 128 Sekunden entladen.

Reihenschaltung von Akkus

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Kurzfassung: Ein Schaltbild zeigt vier in Reihe geschaltete Zellen B1–B4 mit jeweils 3,3 V und 4200 mAh, die zusammen eine Gesamtspannung von 13,2 V (4200 mAh) ergeben.

Detailbeschreibung: Links ist ein Pluszeichen, rechts ein Minuszeichen; dazwischen verläuft eine horizontale Leitung. Am oberen Rand zeigt ein Pfeil nach rechts mit der Beschriftung „13,2 V 4200 mAh“. Darunter markieren weitere Pfeile Teilspannungen: von links bis etwa drei Viertel „9,9 V“ und rechts ein kurzer Pfeil „3,3 V“. Auf mittlerer Höhe sind zwei Pfeile nach rechts mit „6,6 V“ beschriftet, jeweils über der linken und rechten Hälfte. Vertikale gestrichelte Linien teilen die Grafik in vier gleiche Abschnitte. Unten sind vier Batteriesymbole nebeneinander mit den Bezeichnungen „B1“, „B2“, „B3“, „B4“ darüber; unter jedem Symbol steht ein Pfeil nach rechts mit „3,3 V“ und darunter „4200 mAh“. Die Anordnung visualisiert die Spannungsaufsummierung der vier Zellen bei gleichbleibender Kapazität. — Abbildung AS-5.3.2: Reihenschaltung

Spannungen addieren sich
Nur Zellen mit gleichen Daten zusammenschalten

Parallelschaltung von Akkus

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Kurzfassung: Schaltbild eines Batteriepacks mit acht Zellen: zwei parallel geschaltete Vierer-Serien, Gesamtwert 13,2 V und 8400 mAh.

Detaillierte Beschreibung: Die Zeichnung zeigt links einen Pluspol und rechts einen Minuspol als offene Kreise mit +/–. Zwischen zwei seitlichen Sammelschienen liegen acht als Kondensator-Symbole gezeichnete Batteriezellen B1 bis B8. Obere Reihe: B1–B4 in Serie von links nach rechts; untere Reihe: B5–B8 in Serie von rechts nach links; beide Reihen sind an den Seiten leitend verbunden (Parallelschaltung der beiden Serienstränge). Jede Zelle ist mit „3,3 V“ und „4200 mAh“ sowie einem kleinen Pfeil nach rechts beschriftet. Oben markieren Pfeile die Summenspannungen: über die gesamte Breite „13,2 V 8400 mAh“, darüber hinaus Teilpfeile mit „9,9 V“, „6,6 V“ und „3,3 V“ entsprechend der Abschnittslängen; gestrichelte Vertikallinien teilen das Schema in vier gleich breite Abschnitte. Gefüllte Punkte kennzeichnen die Seitenschienen‑Anschlüsse der Serienstränge. — Abbildung AS-5.3.3: Parallelschaltung

Spannungen bleiben gleich
Kapazitäten addieren sich

Balancer

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Zusammenfassung: Foto von mehreren Kabeln mit einem weißen 5-poligen JST‑XH‑Stecker und zwei 5,5‑mm‑Rundkontakten, einem schwarzen Stecker (−) und einer roten Buchse (+).

Detaillierte Beschreibung: In der Mitte befindet sich ein weißer 5-poliger JST‑XH‑Steckverbinder; links gehen fünf dünne, unterschiedlich farbige Leitungen ab (blau, gelb, weiß, gelb, orange). Rechts neben dem Stecker sind Linien mit Beschriftungen zu sehen: oben ein Minuszeichen, darunter U12, U23, U34, unten ein Pluszeichen; darüber steht „JST‑XH für Balancer“. Darunter verlaufen zwei dicke Silikonkabel: oben ein schwarzes Kabel mit vergoldetem 5,5‑mm‑Rundstecker, daneben die Aufschrift „− Pol“; darunter ein rotes Kabel mit vergoldeter 5,5‑mm‑Rundbuchse, daneben „+ Pol“. Rechts unten steht der Text „5,5 mm Stecker/Buchse für Lastanschluss“. Der Hintergrund ist weiß, der Fokus liegt auf den Anschlüssen. — Abbildung AS-5.3.4: LiFePO4 Anschlüsse

Balanceranschluss kann auf die Spannung jeder Zelle zugreifen
Balancerschaltung zum Ausgleich der Spannungen
Schutz der Zellen
Batteriemonitor

AB210: Auf dem Akku-Pack eines Handfunksprechgerätes stehen folgende Angaben: 7,4 V - 2200 mAh - 16,28 Wh. Welcher Begriff ist für die Angabe 2200 mAh zutreffend.

A: maximaler Ladestrom pro Stunde

B: maximaler Entladestrom pro Stunde

C: Nennleistung

D: Nennkapazität

AB209: Folgende Schaltung eines Akkus besteht aus Zellen von je 2 V. Jede Zelle kann 10 Ah Ladung liefern. Welche Daten hat der Akku?

A: 2 V/60 Ah

B: 12 V/10 Ah

C: 12 V/60 Ah

D: 2 V/10 Ah

Lösungsweg

gegeben: $U = \qty{2}{\volt}$
gegeben: $Q = \qty{10}{\ampere\hour}$
gegeben: $N = 6$
gesucht: $U_{\mathrm{ges}}, Q_{\mathrm{ges}}$

$$U_{\mathrm{ges}} = N \cdot U = 6 \cdot \qty{2}{\volt} = \qty{12}{\volt}$$

$$Q_{\mathrm{ges}} = Q \cdot 1 = \qty{10}{\ampere\hour}$$

AB211: Wie lange könnte man idealerweise mit einem voll geladenen Akku mit 60 Ah einen Amateurfunkempfänger betreiben, bis dieser auf 10 % seiner Kapazität entladen ist und einen Strom von 0,8 A aufnimmt?

A: 48 Stunden und 0 Minuten

B: 43 Stunden und 12 Minuten

C: 74 Stunden und 60 Minuten

D: 67 Stunden und 30 Minuten

Lösungsweg

gegeben: $Q_{max} = \qty{60}{\ampere\hour}$
gegeben: $Q_{10\%} = 0,1 \cdot Q_{max} = \qty{6}{\ampere\hour}$
gegeben: $I = \qty{0,8}{\ampere}$
gesucht: $t$

$$Q = I \cdot t \Rightarrow t = \frac{Q}{I} = \frac{Q_{max} - Q_{10\%}}{I} = \frac{\qty{54}{\ampere\hour}}{\qty{0,8}{\ampere}} = \qty{67,5}{\hour}$$

AB501: Ein 12 V Akku hat eine Kapazität von 5 Ah. Welcher speicherbaren Energie entspricht das?

A: 60,0 Wh

B: 2,4 Wh

C: 5,0 Wh

D: 12,0 Wh

Lösungsweg

gegeben: $U = \qty{12}{\volt}$
gegeben: $Q = \qty{5}{\ampere\hour}$
gesucht: $W$

$$W = P \cdot t = U \cdot I \cdot t = U \cdot Q = \qty{12}{\volt} \cdot \qty{5}{\ampere\hour} = \qty{60,0}{\watt\hour}$$

Photovoltaik

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1) Kurze Zusammenfassung: Eine horizontale Leitung wird in der Mitte von einer senkrechten Linie mit zwei schrägen Pfeilen darauf gekreuzt; rechts an der Leitung sitzt ein kleines, schwarzes Rechteck.

2) Detaillierte Beschreibung: Auf weißem Hintergrund verläuft eine dünne horizontale Linie von links nach rechts. In der Bildmitte steht eine dünne senkrechte Linie, die die horizontale Leitung kreuzt; die Senkrechte ragt oben und unten etwas über die Waagerechte hinaus. Von rechts oben kommen zwei kurze, schräg nach links unten gerichtete Pfeile und zeigen auf den oberen Bereich der senkrechten Linie. Direkt rechts neben der Senkrechten befindet sich auf der horizontalen Leitung ein kurzes, schmaleres, schwarzes, vertikales Rechteck. Weitere Symbole, Beschriftungen oder Werte sind nicht vorhanden. — Abbildung AS-5.4.1: Schaltzeichen Photoelement (Solarzelle)

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Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung eines mehrschichtigen Bauteils, auf das gelbe Pfeile mit der Beschriftung „Sonnenlicht“ treffen, mit zwei Leitungen zu einem „Verbraucher“ und der Spannungsangabe „0,5 V“.

Detaillierte Beschreibung: Perspektivische Zeichnung eines quaderförmigen Stapels aus drei farbigen Lagen, von oben nach unten beschriftet „N-Dotiert“ (hellblau), „Dünne Sperrschicht“ (hellgrau) und „P-Dotiert“ (orange). Die Oberseite zeigt mehrere parallele graue Streifen auf einer blauen Fläche. Von links oben fallen mehrere gelbe Pfeile schräg nach unten rechts auf die Oberfläche; darüber steht in Gelb „Sonnenlicht“. Rechts führen zwei schwarze Leitungen vom Stapel weg; jede Leitung ist am Stapel mit einem schwarzen Punkt markiert (oben und unten). Die Leitungen gehen zu einem rechteckigen Symbol, daneben steht „Verbraucher“. Rechts davon befindet sich eine vertikale Markierung mit der Beschriftung „0,5 V“ und einem Pfeil nach oben. Weitere Bauteile, Skalen oder Achsen sind nicht eingezeichnet. — Abbildung AS-5.4.2: Aufbau einer monokristallinen Silizium Solarzelle

Solarzelle wandelt optische Strahlungsenergie in elektrische Energie um
Grundsätzlicher Aufbau wie in einer Diode
Durch die Strahlungsenergie werden Elektronen freigesetzt
Bei Anschluss eines elektrischen Verbrauchers können diese fließen

AB212: Was ist die primäre Aufgabe einer Solarzelle?

A: Die Umwandlung von thermischer Energie in Strahlungsenergie.

B: Die Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie.

C: Die Umwandlung von Strahlungsenergie in thermische Energie.

D: Die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie.

Kenngrößen von Solarzellen

Tabelle AS-5.4.3: Kenngrößen von Solarzellen
Bezeichnung	Abkürzung	Erklärung
Leerlaufspannung	${U}_{OC}$	Ist die Spannung, die ohne Last bei voller Sonneneinstrahlung anliegt.
Kurzschlussstrom	${I}_{SC}$	Ist der Strom, welcher bei einem Kurzschluss am Ausgang, bei voller Sonneneinstrahlung, fließen wird.

Zusammenschaltung von Solarzellen

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Kurzzusammenfassung: Schaltbild mit mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen in vier parallelen Zweigen zwischen einer oberen und unteren Sammelschiene; rechts ist eine Last eingezeichnet, daneben sind Spannung U und Strom I markiert.

Detaillierte Beschreibung: Oben und unten verläuft je eine durchgehende Leiterbahn (Sammelschiene) mit mehreren schwarzen Verbindungspunkten; ganz rechts enden beide Leiterbahnen jeweils in einem kleinen offenen Anschlusskreis. Dazwischen sind vier senkrechte Stränge eingezeichnet. Jeder Strang besteht aus mehreren identischen Solarzellen‑Symbolen (zwei kurze, parallele Platten) mit zwei kleinen Pfeilen, die von rechts auf die Platten zeigen. Der linke Strang ist als lange Reihenschaltung dargestellt; in seiner Mitte steht „30 St.“ mit einer gestrichelten Senkrechten, die die ausgelassenen Bauteile andeutet; links unten neben diesem Strang steht „0,6 V“. Links oben zeigt ein nach oben gerichteter Strompfeil mit der Beschriftung „1 A“. Über drei der Stränge sind an der oberen Sammelschiene kleine, schwarz ausgefüllte, nach oben zeigende Dreiecke an den Knoten eingezeichnet. In den drei rechten Strängen verlaufen zusätzlich gestrichelte senkrechte Linien von einzelnen Zellen zur unteren Sammelschiene. Rechts außerhalb des Zellfeldes markiert eine lange geschweifte Klammer mit Pfeil nach unten die Größe „U“. Im rechten Außenleiter ist ein schmales Rechteck als Lastsymbol eingefügt; daneben steht ein nach unten gerichteter Strompfeil mit der Beschriftung „I“. — Abbildung AS-5.4.4: Solarzellenverbund in einem Solarmodul

Bei Reihen- und Parallelschaltung verändern sich Klemmenspannung und der maximale Laststrom

AD301: Ein Photovoltaikmodul besteht aus vier parallel geschalteten Reihen von je 30 Solarzellen mit je Zelle 0,6 V Leerlaufspannung und 1 A Kurzschlussstrom. Welche Leerlaufspannung und welchen Kurzschlussstrom liefert das Modul?

A: Leerlaufspannung: 2,4 V, Kurzschlussstrom: 4 A

B: Leerlaufspannung: 2,4 V, Kurzschlussstrom: 30 A

C: Leerlaufspannung: 18 V, Kurzschlussstrom: 30 A

D: Leerlaufspannung: 18 V, Kurzschlussstrom: 4 A

Lösungweg

gegeben: $U_0 = \qty{0,6}{\volt}$
gegeben: $I_k = \qty{1}{\ampere}$
gegeben: $N_R = 30, N_P = 4$
gesucht: $U_{0,\mathrm{ges}}, I_{k,\mathrm{ges}}$

$$U_{0,\mathrm{ges}} = N_R \cdot U_0 = 30 \cdot \qty{0,6}{\volt} = \qty{18}{\volt}$$

$$I_{0,\mathrm{ges}} = N_P \cdot I_k = 4 \cdot \qty{1}{\ampere} = \qty{4}{\ampere}$$

Spannungswandler

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Kurzfassung: Nahaufnahme einer kleinen grünen Elektronikplatine mit dreistelliger 7‑Segment‑Anzeige, zwei blauen Schraubklemmen (Eingang/Ausgang) und beschrifteten Bauteilen wie „Speicherinduktivität“, „Elektronische Schalter“ und „PWM Steuerung“.

Detaillierte Beschreibung: Die rechteckige Leiterplatte hat abgerundete Ecken mit weißen Befestigungsflächen. Unten mittig sitzt eine schwarze, dreistellige 7‑Segment‑Anzeige mit hellgrauen Segmentumrissen. Links und rechts unten befinden sich je eine blaue Zweipol‑Schraubklemme; links ist sie mit „Eingang“, rechts mit „Ausgang“ beschriftet, am linken Eingang sind gelbe und blaue Drähte angeschlossen. Nahe jeder Klemme steht ein großer, silberner Elektrolytkondensator mit der Aufschrift „CK 330 35V“. Oben mittig ist ein grauer, quaderförmiger Bauteilblock (Speicherdrossel) montiert, darüber ein weißes Textfeld „Speicherinduktivität“. Rechts daneben liegen mehrere schwarze, flache Halbleitergehäuse mit dem Textfeld „Elektronische Schalter“. In der Platinemitte sind zahlreiche SMD‑Widerstände, ‑Kondensatoren und ICs zu sehen; ein weißes Textfeld „PWM Steuerung“ zeigt auf einen kleinen IC. Rechts der Mitte sitzt ein blaues Trimm‑Potentiometer mit der Markierung „203“ und einer messingfarbenen Stellschraube. Zwischen den Bauteilen liegen eine kleine rote LED (nicht leuchtend), diverse Testpunkte und weiße Bestückungsaufdrucke (z. B. R‑, C‑, Q‑ und D‑Bezeichnungen). Unten rechts ist „ON/OFF“ aufgedruckt, daneben ein kleiner Taster. Die Platine ist grün lackiert, die Lötpads und Leiterbahnen sind sichtbar. — Abbildung AS-5.5.1: Abwärts- (Buck) Aufwärts- (Boost) Wandler

Wandelt Gleichspannungen um → DC/DC-Wandler
z. B. von $\qty{13,8}{\volt}$ auf $\qty{5}{\volt}$ → Step-DOWN (Tiefsetzsteller)
z. B. von $\qty{12}{\volt}$ auf $\qty{19}{\volt}$ → Step-UP (Hochsetzsteller)

Wirkungsgrad

Es entstehen Verluste durch die Bauteile in der Schaltung
Wirkungsgrad $\eta$, meistens in $%$ angegeben

$$\eta = \frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}$$

AB213: Ein Spannungswandler setzt 12 V auf 5 V um. Er nimmt 2 A auf und gibt 3 A ab. Wie groß ist sein Wirkungsgrad?

A: 27,7 %

B: 41,7 %

C: 62,5 %

D: 160 %

Lösungsweg

gegeben: $U_{\textrm{in}} = \qty{12}{\volt}$
gegeben: $U_{\textrm{out}} = \qty{5}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{in}} = \qty{2}{\ampere}$
gegeben: $I_{\textrm{out}} = \qty{3}{\ampere}$
gesucht: $\eta$

$$\begin{split} \eta &= \frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}} = \frac{U_{\mathrm{out}} \cdot I_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}} \cdot I_{\mathrm{in}}}\\ &= \frac{\qty{5}{\volt} \cdot \qty{3}{\ampere}}{\qty{12}{\volt} \cdot \qty{2}{\ampere}} = \frac{\qty{15}{\watt}}{\qty{24}{\watt}} = \num{0,625} = \qty{62,5}{\percent} \end{split}$$

AB214: Ein Spannungswandler wandelt 5 V in 12 V um. Dabei nimmt er 3 A auf und gibt 1 A ab. Wie groß ist sein Wirkungsgrad?

A: 28,6 %

B: 13,9 %

C: 125 %

D: 80,0 %

gegeben: $U_{\mathrm{in}} = \qty{5}{\volt}$
gegeben: $U_{\mathrm{out}} = \qty{12}{\volt}$
gegeben: $I_{\mathrm{in}} = \qty{3}{\ampere}$
gegeben: $I_{\mathrm{out}} = \qty{1}{\ampere}$
gesucht: $\eta$

$$\begin{split} \eta &= \frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}} = \frac{U_{\mathrm{out}} \cdot I_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}} \cdot I_{\mathrm{in}}}\\ &= \frac{\qty{12}{\volt} \cdot \qty{1}{\ampere}}{\qty{5}{\volt} \cdot \qty{3}{\ampere}} = \frac{\qty{12}{\watt}}{\qty{15}{\watt}} = \num{0,8} = \qty{80}{\percent} \end{split}$$

Gleichrichter II

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1) Kurzfassung: Schaltplan mit Transformator, in Serie liegender Diode D sowie einem Kondensator C_L und einem Lastwiderstand R_L, die beide zwischen oberer Leitung und Rückleitung angeschlossen sind; Pfeile U_E und U_L markieren Spannungsrichtungen.

2) Detaillierte Beschreibung: Ganz links ein zweipoliger Eingang mit Wechselspannungs‑Symbol (~), angeschlossen an die Primärwicklung eines Transformators; rechts davon die Sekundärwicklung mit zwei Anschlüssen. Der obere Sekundäranschluss führt nach rechts durch eine Diode mit der Beschriftung D (Symbol: Dreieck auf senkrechte Linie, Spitze nach rechts) zu einem Knoten, der als ausgefüllter Punkt gezeichnet ist. Von diesem Knoten geht nach unten ein Kondensator mit der Beschriftung C_L (zwei parallele Platten) zur unteren Rückleitung, die am unteren Sekundäranschluss des Transformators endet; der untere Kondensatoranschluss ist ebenfalls mit einem ausgefüllten Punkt markiert. Vom gleichen oberen Knoten führt rechts ein Lastwiderstand als Rechteck mit der Beschriftung R_L nach unten zur Rückleitung. Neben der Sekundärwicklung steht ein nach unten gerichteter Pfeil mit der Beschriftung U_E; rechts neben dem Lastwiderstand steht ein nach unten gerichteter Pfeil mit der Beschriftung U_L. Die Leitungen verlaufen als durchgehende Linien, die alle Bauteile verbinden. — Abbildung AS-5.6.1: Einweggleichrichtung mit Kondensator

Bei positiver Halbwelle lässt Diode $D$ Strom fließen
Lädt Kondensator $C_L$ auf Spitzenwert der Wechselspannung und versorgt Lastwiderstand $R_L$
Bei negativer Halbwelle sperrt Diode $D$
Kondensator $C_L$ entlädt sich über Lastwiderstand $R_L$

1) Kurzbeschreibung: Diagramm aus einem rechteckigen Gitter und mit einer horizontalen Achse „5 ms/Div.“ und einer vertikalen Achse „3 V/Div.“; periodisch verlaufende Kurve, zunächst steil beginnend mit abgerundetem Maximum und flacher nach unten auslaufend.

2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt ein Koordinatensystem mit einer horizontalen Achse „5 ms/Div.“ und einer vertikalen Achse „3 V/Div.“. Der Nullpunkt unten links trägt die Beschriftung „0 V“. Das Gitter besteht aus sieben horizontalen und sieben vertikalen Gitterlinien. Eine Kurve verläuft ausschließlich zwischen der fünften und der sechsten Gitterlinie und beginnt zunächst steil, geht in ein abgerundetes Maximum über und läuft dann etwas flacher aus. Nach zwei vertikalen Gitterlinien beginnt ein neuer Zyklus. — Abbildung AS-5.6.2: Welligkeit der Ausgangsgleichspannnung $U_L$

Am Lastwiderstand $R_L$ stellt sich eine pulsierende Gleichspannung $U_L$ ein

Je größer die Kapazität, umso geglätteter die Gleichspannung
Die Trafospannungen sind Effektivspannungen
Für die Bemessung des Kondensators muss die Spitzenspannung bestimmt werden
Für die Diode ist die Spitzen-Spitzen-Spannung relevant

AD302: Berechnen Sie für diese Schaltung die Leerlaufspannung an den Klemmen A - B.

A: Zirka 30 V

B: Zirka 42 V

C: Zirka 21 V

D: Zirka 15 V

Lösungsweg

gegeben: $U_{\mathrm{eff}} = \qty{15}{\volt}$
gesucht: $\hat{U}$

$$\hat{U} = U_{\mathrm{eff}} \cdot \sqrt{2} = \qty{15}{\volt} \cdot 1,41 = \qty{21,21}{\volt}$$

AD303: Welche Spannungsfestigkeit des Kondensators sollte mindestens gewählt werden, wenn das Transformationsverhältnis 20:1 beträgt und ein Sicherheitsaufschlag auf die Spannungsfestigkeit von 50 % berücksichtigt werden soll?

A: 10 V

B: 16 V

C: 35 V

D: 25 V

Lösungsweg

gegeben: $U_P = \qty{230}{\volt}$
gegeben: $ü = 20:1$
gesucht: $\hat{U} + \qty{50}{\percent}$

$$ü = \frac{U_P}{U_S} \Rightarrow U_S = \frac{U_P}{ü} = \frac{\qty{230}{\volt}}{20} = \qty{11,5}{\volt}$$

$$\hat{U} = U_S \cdot \sqrt{2} = \qty{11,5}{\volt} \cdot 1,41 \approx \qty{16,26}{\volt}$$

$$\hat{U} + \qty{50}{\percent} \approx \qty{25}{\volt}$$

AD304: Bei einem Transformationsverhältnis von 5:1 sollte die Spannungsfestigkeit der Diode (max. Spannung plus 20 % Sicherheitsaufschlag) in dieser Schaltung nicht weniger als ...

A: 90 V betragen.

B: 130 V betragen.

C: 78 V betragen.

D: 156 V betragen.

Lösungsweg

gegeben: $U_P = \qty{230}{\volt}$
gegeben: $ü = 5:1$
gesucht: $U_{SS} + \qty{20}{\percent}$

$$ü = \frac{U_P}{U_S} \Rightarrow U_S = \frac{U_P}{ü} = \frac{\qty{230}{\volt}}{5} = \qty{46}{\volt}$$

$$\hat{U} = U_S \cdot \sqrt{2} = \qty{46}{\volt} \cdot 1,41 \approx \qty{65,05}{\volt}$$

$$U_{SS} + \qty{20}{\percent} = 2 \cdot \hat{U} + \qty{20}{\percent} \approx \qty{156}{\volt}$$

Brückengleichrichter

Erweiterte und häufige Gleichrichterschaltung
Beide Halbwellen werden verwendet
Pulsierende Gleichspannung am Ausgang mit doppelter Frequenz wie Eingangsspannung

Mit dem folgenden Applet kann man beide Halbperioden getrennt anschauen.

AD305: Welche der folgenden Auswahlantworten enthält die richtige Diodenanordnung und Polarität eines Brückengleichrichters?

Siebung

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit horizontalen Leitern und mit jeweils zwei Anschlusspunkten links („~ 230 V“) und rechts (unbeschriftet), dazwischen ein Transformator, ein Brückengleichrichter und eine Spule mit zwei Kondensatoren.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält einen rechteckigen Schaltkreis mit horizontalen Leitern. Links gibt es oben und unten jeweils einen Anschlusspunkt, dazwischen die Beschriftung „~ 230 V“. Beide horizontalen Leiter sind mit der Primärwicklung eines Transformators verbunden, dessen Kern durch zwei parallele vertikale Striche angedeutet wird. Die Sekundärwicklung des Transformators endet in einem Brückengleichrichter aus vier Dioden mit dem Dreieck nach rechts und einem vertikalen Strich an der Spitze. Die beiden Wechselstromeingänge der Brücke sind mit „~“ gekennzeichnet, die beiden Gleichspannungsausgänge mit „–“ (links) und „+“ (rechts). Von beiden Ausgängen geht nach rechts jeweils ein horizontaler Leiter ab. Beide Leiter sind über einen Kondensator vertikal miteinander verbunden. Im oberen Leiter folgt eine Spule (Halbbögen nach oben gerichtet), danach eine weitere vertikale Verbindung mit dem unteren horizontalen Leiter, diesmal über einen mit „C_S“ gekennzeichneten Siebkondensator. Beide horizontalen Leiter enden rechts an einem Anschlusspunkt. — Abbildung AS-5.7.2: Gleichrichterschaltung mit Siebung

Mit Ladekondensator $C_L$ und LC-Siebglied mit $C_S$
Kleinere Amplituden der pulsierenden Gleichspannung
Kondensatoren laden sich auf die sekundäre Spitzenspannung auf

AD306: Wie groß ist die Spannung am Siebkondensator $C_{\textrm{S}}$ im Leerlauf, wenn die Netzwechselspannung von 230 V anliegt und das Windungsverhältnis 8:1 beträgt?

A: etwa 29 V

B: etwa 40 V

C: etwa 20 V

D: etwa 58 V

Lösungsweg

gegeben: $U_P = \qty{230}{\volt}$
gegeben: $ü = 8:1$
gegeben: $U_D = \qty{0,6}{\volt}$
gesucht: $\hat{U}$

$$ü = \frac{U_P}{U_S} \Rightarrow U_S = \frac{U_P}{ü} = \frac{\qty{230}{\volt}}{8} = \qty{28,75}{\volt}$$

Im Leerlauf kann die Diodenspannung vernachlässigt werden.

$$\hat{U} = U_S \cdot \sqrt{2} = \qty{28,75}{\volt} \cdot 1,41 \approx \qty{40}{\volt}$$

Vollweggleichrichter

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Kurzfassung: Schaltbild mit einem Transformator, zwei Dioden mit den Bezeichnungen D1 und D2 und zwei Ausgängen, die mit + und − markiert sind.

Detaillierte Beschreibung: Links befindet sich ein kleines Sinus‑Symbol zwischen zwei offenen Klemmen (offene Kreise), das über Leitungen mit der linken Spule eines Transformators verbunden ist; die beiden Spulen (links und rechts) sind durch zwei parallele, vertikale Striche getrennt. Auf der rechten Spule der Sekundärseite ist in etwa mittiger Höhe ein schwarzer Punkt, an dem eine mittlere horizontale Leitung angeschlossen ist. Vom oberen Ende der rechten Spule führt eine horizontale Leitung nach rechts zu der Diode mit der Bezeichnung D1; das Diodensymbol zeigt ein Dreieck, das nach rechts auf einen vertikalen Strich weist. Vom unteren Ende der rechten Spule führt eine weitere Leitung nach rechts zu der Diode mit der Bezeichnung D2; auch hier zeigt ein Dreieck nach rechts auf einen vertikalen Strich. Hinter den Dioden verlaufen die Leitungen nach rechts; die oberen Leitungen hinter D1 und aus der unteren Leitung (hinter D2) treffen sich an einem gemeinsamen schwarzen Knotenpunkt, von dem eine Leitung weiter zu einem offenen Anschluss mit der Beschriftung “+” führt. Die mittlere horizontale Leitung (vom schwarzen Punkt an der Spule) führt nach rechts zu einem offenen Anschluss mit der Beschriftung “−”. Weitere Beschriftungen sind nicht vorhanden. — Abbildung AS-5.8.1: Vollweggleichrichtung mit zwei Dioden

Transformator mit Mittelanzapfung und zwei Dioden

Positive Halbwelle an oberer Wicklung gegenüber Mittelanzapfung → $D_1$ leitet
An $D_2$ liegt zu diesem Zeitpunkt eine negative Halbwelle an → sperrt

Mit dem folgenden Applet kann man beide Halbperioden getrennt anschauen.

AD307: Welche Gleichrichterschaltung erzeugt eine Vollweg-Gleichrichtung mit der angezeigten Polarität?

Negative Ausgangsspannung

Anoden sind an den Ausgang angeschlossen
Gleichspannung wird gegenüber der Mittelanzapfung negativ
Halbwellen befinden sich unterhalb der Nulllinie

AD308: Welche Form hat die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung?

Grundfrequenz

Nach der Gleichrichtung existiert eine pulsierende Gleichspannung mit doppelter Frequenz zur Eingangsspannung.

AD310: Welche Grundfrequenz hat die Ausgangsspannung eines Vollweggleichrichters, der an eine 50 Hz-Versorgung angeschlossen ist?

A: 100 Hz

B: 50 Hz

C: 25 Hz

D: 200 Hz

Restwelligkeit

Keine Schaltung arbeitet ideal
In einer Gleichrichterschaltung entsteht am Ausgang eine Gleichspannung mit einer überlagerten Wechselspannung → Restwelligkeit
Kann mit einem Oszilloskop betrachtet werden

AD309: Im folgenden Bild ist die Spannung am Ausgang einer Stromversorgung dargestellt. Die Restwelligkeit und die Brummfrequenz betragen ...

A: 3 V; 50 Hz

B: 3 V; 100 Hz

C: 13,5 V ±1,5 V; 100 Hz

D: 13,5 V ±1,5 V; 50 Hz

Schaltnetzteil II

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit jeweils zwei Anschlusspunkten links („230 V“ und Wellenlinie) und rechts (ohne Beschriftung), dazwischen ein Brückengleichrichter; im oberen horizontalen Zweig ein elektronischer Schalter („E“), einem Siebkondensator zum unteren horiontalen Leiter, und einem Transformator; im rechten oberen Teil eine Diode und einem Kondensator zwischen beiden horizontalen Leitern.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält einen rechteckigen Schaltkreis aus zwei horizontalen Leitern und zwei Anschlusspunkten im linken Teil. Die beiden Anschlusspunkte sind mit „230 V“ und einer Wellenlinie beschriftet und mit dem oberen und dem unteren Ausgang einer aus vier Dioden gebildeten Brücke in Diamantform (Brückengleichrichter) verbunden. Der rechte Ausgang der Brücke ist mit einem vertikal gezeichneten Kondensator mit „+“-Zeichen am oberen Anschluss verbunden; der untere Anschluss geht auf den unteren horizontalen Leiter, der mit dem linken Ausgang der Brücke verbunden ist. Vom rechten Ausgang der Brücke führt außerdem ein Leiter nach rechts über einen mit „E“ bezeichneten Schalter zum oberen Anschluss der Primärwicklung (links) eines Transformators. Der untere Anschluss der Primärwicklung führt zurück zum unteren horizontalen Leiter der linken Seite der Schaltung. Auf der Sekundärseite (rechts) des Transformators ist am oberen Anschluss eine Diode eingezeichnet (Symbol mit Dreieck nach rechts zur Sperrlinie), die zum oberen der beiden rechten Anschlusspunkte führt. Zwischen dem oberen und dem unteren Anschlusspunkt befindet sich ein weiterer, vertikal gezeichneter Kondensator mit „+“-Zeichen am oberen Anschluss. — Abbildung AS-5.10.1: Prinzipschaltbild Schaltnetzteil

Elektronischer Schalter E regelt eine konstante Ausgangsspannung
Schaltzeit wird variiert
Schalter ist länger geschlossen → mehr Energie zur Lastseite → Ausgangsspannung steigt an
Dieses ist der Impulsbreitenmodulator

AD311: Welche Funktion übernimmt der elektronische Schalter (Block E) des Schaltnetzteils?

A: Gleichrichter

B: Impulsbreitenmodulator

C: Puls-Gleichrichter

D: Überspannungsableiter

Galvanische Trennung

Trennung der Eingangs- und Ausgangsseite
Hält Störsignale der Schaltung von der Netzspannungseite fern
Andernfalls wirkt das Stromnetz wie eine Antenne

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Zusammenfassung: Blaue Spektrums-/Wasserfallanzeige mit vielen schmalen, senkrechten hellen Streifen und einer gelb markierten Skala am unteren Rand.

Detaillierte Beschreibung: Das Bild zeigt eine rechteckige, farbcodierte Darstellung in überwiegend dunklen Blautönen mit körniger Textur. Über die gesamte Höhe verlaufen zahlreiche schmale, helle vertikale Linien in Cyan bis Türkis; sie sind links und im mittleren Bereich dichter und variieren in Helligkeit und Breite. Rechts sind die Linien insgesamt schwächer und teilweise regelmäßiger verteilt. Über die Breite liegen zusätzlich gleichmäßig verteilte, sehr feine vertikale Hilfslinien. Am äußersten linken Rand ist ein schmaler, dunkler Rot- bis Purpurstreifen sichtbar. Unten verläuft ein dunkler Balken mit gelben Markierungen und Zahlen von 0 bis 1300 (Einheit nicht angegeben); eine vertikale grüne Markierungslinie steht ungefähr bei der 600, weitere grüne Linien sind über die Breite verteilt. Insgesamt wechselt die Helligkeit in den blauen Flächen leicht, wodurch ein unruhiges, rauschähnliches Muster entsteht. — Abbildung AS-5.10.2: Störspektrum eines Schaltnetzteils

AD312: Was ist der Hauptnachteil des dargestellten Schaltnetzteils?

A: Der Transformator bewirkt hohe Verluste

B: Der elektronische Schalter in Block E erzeugt ein unerwünschtes Signalspektrum.

C: Die Diode am Ausgang muss hohe Frequenzen gleichrichten.

D: Der Brückengleichrichter erzeugt eine Spannung mit Restwelligkeit.

AD313: In einem Amateurfunkempfänger werden etwa alle 120 kHz unerwünschte Signale festgestellt. Dies ist wahrscheinlich zurückzuführen auf ...

A: unerwünschte Abstrahlungen eines linearen Netzteils.

B: eine Amateurfunkstelle mit unzureichender Anpassung der Antenne.

C: einen schlecht entstörten Bürstenmotor.

D: unerwünschte Abstrahlungen eines Schaltnetzteils.

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1) Kurzzusammenfassung: Schaltplan mit einem gekoppelten Spulenelement „T“ zwischen linken Anschlüssen „L1/PE/N“ und rechten Anschlüssen „L1’/N’“, dazu die Kondensatoren „C1“, „C2“ und „C3“.

2) Detailbeschreibung: Links sind drei Anschlussbezeichnungen mit kleinen Anschlusskreisen: oben „L1“, mittig „PE“ (mit kurzer waagerechter Leitung nach rechts), unten „N“. Zwischen der oberen und unteren linken Leitung liegt ein Kondensator „C1“, als zwei parallele Platten dargestellt; vom mittleren Bereich dieses Symbols führt eine kurze Leitung nach links zu „PE“. Die obere linke Leitung (von „L1“) geht nach rechts, passiert einen Knoten (schwarzer Punkt) und führt zum Anschluss „1“ des mittleren Bauteils „T“. Die untere linke Leitung (von „N“) geht nach rechts, passiert einen Knoten und führt zum Anschluss „3“ von „T“. In der Mitte ist „T“ beschriftet; es zeigt zwei Spulensymbole: oben zwischen „1“ (links) und „2“ (rechts), unten zwischen „3“ (links) und „4“ (rechts). Links neben den Spulen sind zwei schwarze Markierungspunkte. Zwischen den beiden Spulen ist ein kleines, unlabeled Kondensatorsymbol (zwei parallele Platten) gezeichnet. Rechts führen die Anschlüsse „2“ und „4“ jeweils zu einer senkrechten rechten Leitung mit Anschlusskreisen „L1’“ (oben) und „N’“ (unten); an dieser rechten Leitung sind drei Knoten (oben, Mitte, unten). Seitlich an der rechten Leitung sind zwei Kondensatoren eingezeichnet: oben „C2“, unten „C3“, übereinander angeordnet; ihr gemeinsamer Zwischenknoten in der Mitte ist als schwarzer Punkt markiert, von dem eine kurze waagerechte Leitung nach links abgeht und offen endet. — Abbildung AS-5.10.3: Filter am 230V Eingang eines Schaltnetzteils

Tiefpassfilter auf Eingangsseite

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1) Kurzzusammenfassung: Ein flanschmontierbarer IEC-Netzeinbaustecker mit integriertem Filter von Schaffner liegt auf weißem Hintergrund.

2) Detaillierte Beschreibung: Links ist die schwarze Kunststofffront mit einem dreipoligen IEC-C14-Einlass und zwei Befestigungsbohrungen zu sehen, daran schließt sich ein längliches Metallgehäuse an. Auf der Oberseite klebt ein weißes Typenschild mit der Aufschrift „SCHAFFNER – MADE IN SWITZERLAND – FN 322-…“, mit Angaben wie „110/250 V~ 50/60 Hz“ und „3 A“, einem kleinen Schaltbild (mit Beschriftungen „2× 2 mH“, „0,015 µF (X2)“ und „2× 2200 pF (Y)“) sowie mehreren Prüf- und Zulassungszeichen. Rechts ragen zwei Flachsteckkontakte aus dem Gehäuse heraus; an der Seite ist eine Zahl (z. B. „8402“) aufgedruckt. Die Aufnahme ist leicht seitlich gedreht, die Farben sind Schwarz, Grau und Weiß, mit leichten Gebrauchsspuren am Gehäuse. — Abbildung AS-5.10.4: Filter direkt am 230 V AC Spannungseingang

AD314: Welche der dargestellten Schaltungen könnte in den Netzeingang eines Schaltnetzteils eingebaut werden, um eine Verbreitung von Störungen in das Stromversorgungsnetz zu verringern?

Spannungsstabilisierung

Eingangsspannung kann variieren
Beispielsweise bei durch Akku betriebenen Geräten
Empfindliche Baugruppen (z. B. Oszillatoren) würden die Frequenz ändern
Abhilfe: Spannungsstabilisierung

Stabilisierung mit Z-Diode

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Schaltplan zeigt eine Spannungsquelle mit +13,8 V und 0 V. Ein Widerstand $ R_V $ ist in Reihe geschaltet. Ein Zener-Diode ist parallel zu einem anderen Widerstand $ R_L $ verbunden. Die Ströme $ I_Z $ durch die Diode und $ I_L $ durch den Widerstand $ R_L $ sind mit Pfeilen markiert. — Abbildung AS-5.11.1: Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

Sehr einfache Schaltung
Kann die Ausgangsspannung in Grenzen stabil halten

AD321: Wie groß ist der Wirkungsgrad $\left(\eta = \dfrac{P_{\textrm{L}}}{P_{\textrm{IN}}}\right)$ der dargestellten Spannungsstabilisierung, wenn durch den Lastwiderstand $R_{\textrm{L}}$ = 470 Ohm ein Strom von $I_{\textrm{L}}$ = 10 mA und durch die Z-Diode ein Strom $I_{\textrm{Z}}$ = 15 mA fließt.

A: 0,14

B: 0,34

C: 0,17

D: 0,21

Lösungsweg

gegeben: $R_L = \qty{470}{\ohm}$
gegeben: $I_L = \qty{10}{\milli\ampere}$
gegeben: $I_Z = \qty{15}{\milli\ampere}$
gegeben: $U_{\mathrm{in}} = \qty{13,8}{\volt}$
gesucht: $\eta = \frac{P_L}{P_{\mathrm{in}}}$

$$P_L = I_L^2 \cdot R_L = (\qty{10}{\milli\ampere})^2 \cdot \qty{470}{\ohm} = \qty{47}{\milli\watt}$$

$$P_{\mathrm{in}} = U_{\mathrm{in}} \cdot I_{\mathrm{in}} = U_{\mathrm{in}} \cdot (I_Z + I_L) = \qty{13,8}{\volt} \cdot (\qty{15}{\milli\ampere} + \qty{10}{\milli\ampere}) = \qty{345}{\milli\watt}$$

$$\eta = \frac{P_L}{P_{\mathrm{in}}} = \frac{\qty{47}{\milli\watt}}{\qty{345}{\milli\watt}} \approx \num{0,14}$$

Linarer Spannungsregler

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Ein Schaltplan zeigt mehrere elektrische Bauteile: Ein Widerstand mit der Beschriftung — Abbildung AS-5.11.2: Schaltbild eines linearen Spannungsreglers

Leistungstransistor wird als veränderlicher Widerstand betrieben
Bildet zusammen mit dem Lastwiderstand einen Spannungsteiler
Wirkungsgrad ist oft sehr niedrig

AD315: Wenn man folgendes Signal an den Eingang der gezeigten Schaltung anlegt, beträgt die Ausgangsspannung zwischen A und B ungefähr ...

A: 6,2 V.

B: 5,6 V.

C: 11,2 V.

D: 5 V.

AD319: Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 9 V. Es fließt ein Ausgangsstrom von 900 mA. Wie groß ist die Verlustleistung im Spannungsregler?

A: 1,53 W

B: 4,32 W

C: 8,10 W

D: 12,42 W

Lösungsweg

gegeben: $U_{\mathrm{in}} = \qty{13,8}{\volt}$
gegeben: $U_{\mathrm{out}} = \qty{9}{\volt}$
gegeben: $I = \qty{900}{\milli\ampere}$
gesucht: $P_V$

$$U_{IC1} = U_{\mathrm{in}} - U_{\mathrm{out}} = \qty{13,8}{\volt} - \qty{9}{\volt} = \qty{4,8}{\volt}$$

$$P_V = U_{IC1} \cdot I = \qty{4,8}{\volt} \cdot \qty{900}{\milli\ampere} = \qty{4,32}{\watt}$$

AD320: Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 5 V. Es fließt ein Eingangsstrom von 455 mA und ein Ausgangsstrom von 450 mA. Wie groß ist der Wirkungsgrad?

A: 0,36

B: 0,56

C: 0,99

D: 0,64

Lösungsweg

gegeben: $U_{\mathrm{in}} = \qty{13,8}{\volt}$
gegeben: $U_{\mathrm{out}} = \qty{5}{\volt}$
gegeben: $I_{\mathrm{in}} = \qty{455}{\milli\ampere}$
gegeben: $I_{\mathrm{out}} = \qty{450}{\milli\ampere}$
gesucht: $\eta$

$$\eta = \frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}} = \frac{U_{\mathrm{out}} \cdot I_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}} \cdot I_{\mathrm{in}}} = \frac{\qty{5}{\volt} \cdot \qty{450}{\milli\ampere}}{\qty{13,8}{\volt} \cdot \qty{455}{\milli\ampere}} \approx \num{0,36}$$

Festspannungsregler

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan mit zwei parallelen horizontalen Leitern; beide mit Anschlusspunkten an beiden Enden; unterer horizontaler Leiter an Masse liegend; im oberen horizontalen Leiter Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter; links und rechts davon eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern mit jeweils einem Kondensator; zwischen den Anschlusspunkten links ein vertikaler Pfeil nach unten („U_E“), rechts ein vertikaler Pfeil nach unten („U_A“).

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan besteht aus zwei parallelen horizontalen Leitern. Beide haben einen Anschlusspunkt an beiden Enden. Der untere Leiter liegt an Masse. Im oberen horizontalen Leiter gibt es in der Mitte einen Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter. Links und rechts davon ist eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern eingezeichnet. In der linken Verbindung ist ein polarisierter Kondensator (zwei parallele Linien, die obere mit „+“ beschriftet) eingezeichnet. Die rechte Verbindung geht über einen anderen Kondensator. Zwischen beiden Anschlusspunkten links ist ein ein vertikaler Pfeil nach unten („U_E“) eingezeichnet, zwischen den beiden Anschlusspunkten rechts ist ein vertikaler Pfeil nach unten („U_A“) eingezeichnet. — Abbildung AS-5.11.3: Festspannungsregler

Ausgelegt als IC
Arbeiten wie linare Spannungsregler mit sehr genauer Spannungsreferenzquelle und optimaler elektronischer Regelung
Auch bei starker Schwankung auf der Eingangsseite ist die Ausgangsseite sehr stabil

AD317: Bei dieser Schaltung mit einem 12 V-Festspannungsregler schwankt die Eingangsspannung zwischen 15 V und 18 V. Wie groß ist die Spannungsschwankung am Ausgang?

A: Die Spannungsschwankung liegt zwischen 0,7 V und 3 V.

B: Die Spannungsschwankung beträgt nahezu null Volt.

C: Die Spannungsschwankung beträgt ca. 0,7 V.

D: Die Spannungsschwankung beträgt ca. 3 V.

AD316: Welche Beziehung muss zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der folgenden Schaltung bestehen, damit der Linearspannungsregler IC1 eine stabilisierte Ausgangsspannung erzeugt?

A: Die Eingangsspannung muss gleich der gewünschten Ausgangsspannung sein

B: Die Eingangsspannung muss größer als die gewünschte Ausgangsspannung sein.

C: Die Eingangsspannung muss kleiner als die gewünschte Ausgangsspannung sein.

D: Die Eingangsspannung muss mindestens doppelt so groß wie die gewünschte Ausgangsspannung sein.

AD318: Wie groß ist die Verlustleistung im Linearspannungsregler IC1?

A: 5,0 W

B: 4,4 W

C: 7,9 W

D: 2,5 W

Lösungsweg

gegeben: $U_{\mathrm{in}} = \qty{13,8}{\volt}$
gegeben: $U_{\mathrm{out}} = \qty{5}{\volt}$
gegeben: $R_L = \qty{10}{\ohm}$
gesucht: $P_V$

$$I = \frac{U_{\mathrm{in}}}{R_L} = \frac{\qty{5}{\volt}}{\qty{10}{\ohm}} = \qty{500}{\milli\ampere}$$

$$U_{IC1} = U_{\mathrm{in}} - U_{\mathrm{out}} = \qty{13,8}{\volt} - \qty{5}{\volt} = \qty{8,8}{\volt}$$

$$P_V = U_{IC1} \cdot I = \qty{8,8}{\volt} \cdot \qty{500}{\milli\ampere} = \qty{4,4}{\watt}$$

Fernspeiseweiche

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1) Kurzzusammenfassung: Schaltplan mit zwei horizontalen Leitungen, oben ein Pfad von „RX“ über den Kondensator „C1“ zu „LNA“, der in der Mitte über eine vertikale Spule mit einer unteren Leitung verbunden ist, die rechts zu „DC“ führt und links über den Kondensator „C2“ an Masse gekoppelt ist.

2) Detaillierte Beschreibung: Links oben ist ein Anschluss mit Massezeichen und der Beschriftung „RX“; von dort führt eine horizontale Leitung nach rechts durch einen in Serie liegenden Plattenkondensator mit der Beschriftung „C1“. Direkt rechts von „C1“ befindet sich ein Knoten (schwarzer Punkt), von dem die obere Leitung weiter nach rechts zu einem zweiten Anschluss mit Massezeichen und der Beschriftung „LNA“ läuft. Vom Knoten nach „C1“ führt eine vertikale Spule (Induktivität) nach unten zu einem zweiten Knoten auf einer unteren, waagerechten Leitung. Diese untere Leitung ist links über einen Plattenkondensator mit der Beschriftung „C2“ an ein Massezeichen angeschlossen (C2 liegt zwischen Leitung und Masse). Rechts endet die untere Leitung in einem rechteckigen Kasten mit der Beschriftung „DC“; dort ist sie an einen oberen Anschluss im Kasten geführt, darunter ist im Kasten ein weiterer Anschluss als Massezeichen dargestellt. Alle Verbindungsstellen sind durch schwarze Punkte markiert; Bauteilwerte sind nicht angegeben. — Abbildung AS-5.12.1: BIAS - T

Englisch: BIAS-T
Gleichspannungsübertragung auf einem Koaxialkabel gleichzeitig zum HF-Signal
Spannungsversorgung von Baugruppen an der Antenne (z. B. LNA)
Besteht aus nur drei Bauteilen

AD322: Zu welchem Zweck wird ein Bias-T (Fernspeiseweiche) eingesetzt?

A: Zur Verteilung der Gleichspannung auf zwei unterschiedliche Geräte.

B: Zur Verteilung eines HF-Signals auf zwei Ausgänge.

C: Zur Übertragung von zwei unterschiedlichen Gleichspannungen über eine gemeinsame Leitung.

D: Zur Gleichspannungsversorgung und HF-Signalübertragung über eine gemeinsame Leitung.

AD323: Was stellt die folgende Schaltung dar?

A: PI-Filter

B: Netzfilter

C: Bandsperre

D: Bias-T

$C_1$ hält das Gleichspannungssignal vom RX fern
Fehlt $C_1$ wird die Gleichspannung gegen Masse kurzgeschlossen
Gleichspannung wird über die Induktivität auf den Innenleiter geführt und koppelt HF ab
Induktivität muss für den Strom passend gewählt sein

AD324: Zu welchem Zweck dient $C_1$ in dem dargestellten Bias-T?

A: Zur HF-Trennung von RX und LNA.

B: Zur Siebung der Gleichspannung.

C: Zur Trennung der Gleichspannung vom Empfängereingang.

D: Zur Verbesserung des Tiefpass-Verhaltens.

AD325: Was ist bei der Dimensionierung der Spule in dem dargestellten Bias-T zu beachten?

A: Spannungsfestigkeit

B: Strombelastbarkeit

C: Temperaturkoeffizient

D: Güte

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Zusammenschaltung von Solarzellen

Lösungweg

Spannungswandler

Wirkungsgrad

Lösungsweg

Gleichrichter II

Lösungsweg

Lösungsweg

Lösungsweg

Brückengleichrichter

Siebung

Lösungsweg

Vollweggleichrichter

Negative Ausgangsspannung

Grundfrequenz

Restwelligkeit

Schaltnetzteil II

Galvanische Trennung

Spannungsstabilisierung

Stabilisierung mit Z-Diode

Lösungsweg

Linarer Spannungsregler

Lösungsweg

Lösungsweg

Festspannungsregler

Lösungsweg

Fernspeiseweiche

Fragen?

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